JP5459526B1 - 蓄電デバイス用バインダー組成物、蓄電デバイス電極用スラリー、蓄電デバイス電極、保護膜形成用スラリー、保護膜、および蓄電デバイス - Google Patents

蓄電デバイス用バインダー組成物、蓄電デバイス電極用スラリー、蓄電デバイス電極、保護膜形成用スラリー、保護膜、および蓄電デバイス Download PDF

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Abstract

本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、重合体(A)と、液状媒体(B)と、を含有する、蓄電デバイスを作製するためのバインダー組成物であって、前記重合体(A)が100質量部中に、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を0.5〜20質量部、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を41〜60質量部、および芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を16〜40質量部、含有する。

Description

本発明は、蓄電デバイス用バインダー組成物、該バインダー組成物と電極活物質とを含む蓄電デバイス電極用スラリー、該スラリーを集電体に塗布および乾燥して作製された蓄電デバイス電極、ならびに該電極を備えた蓄電デバイス、該バインダー組成物と無機粒子とを含有する保護膜形成用スラリー、該スラリーから形成された保護膜、ならびに該保護膜を備えた蓄電デバイスに関する。
近年、電子機器の駆動用電源として高電圧、高エネルギー密度を有する蓄電デバイスが要求されている。特にリチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタは、高電圧、高エネルギー密度を有する蓄電デバイスとして期待されている。
このような蓄電デバイスに使用される電極は、通常、電極活物質とバインダーとして機能する重合体粒子との混合物を集電体表面へ塗布・乾燥することにより作製される。この重合体粒子に要求される特性としては、電極活物質同士の結合能力および電極活物質と集電体との結着能力や、電極を巻き取る工程における耐擦性、その後の裁断などによっても塗布された電極用組成物層(以下、単に「電極活物質層」ともいう。)から電極活物質の微粉などが発生しない粉落ち耐性などを挙げることができる。重合体粒子がこれらの種々の要求特性を満足することにより、得られる電極の折り畳み方法、捲回半径の設定などの蓄電デバイスの構造設計の自由度が高くなり、デバイスの小型化を達成することができる。なお、上記の電極活物質同士の結合能力および電極活物質層と集電体との結着能力、ならびに粉落ち耐性については、性能の良否がほぼ比例関係にあることが経験上明らかになっている。従って本明細書では、以下、これらを包括して「密着性」という用語を用いて表す場合がある。
電極用バインダーとしては、正極を作製する場合、ポリフッ化ビニリデン等の密着性にはやや劣るが耐酸化性に優れる含フッ素系有機重合体を使用することが有利である。一方、負極を作製する場合、耐酸化性にはやや劣るが密着性に優れる(メタ)アクリル酸系重合体を使用することが有利である。
上記のような電極用バインダーに使用される重合体の耐酸化性、密着性等の特性を向上させる技術が種々検討され、提案されている。例えば、特開2011−3529号公報には、ポリフッ化ビニリデンとゴム系高分子とを併用することにより、負極用バインダーの耐酸化性と密着性を両立させようとする技術が提案されている。特開2010−55847号公報には、ポリフッ化ビニリデンを特定の有機溶媒へ溶解し、これを集電体表面上に塗布した後、低温で溶媒を除去する工程を経ることによって密着性を向上させようとする技術が提案されている。さらに特開2002−42819号公報には、フッ化ビニリデン共重合体からなる主鎖に、フッ素原子を有する側鎖を有する構造の電極用バインダーを適用することによって、密着性を向上させようとする技術が提案されている。
さらに、バインダー組成を制御することで上記特性を向上させる技術(特開2000−299109号公報参照)や、エポキシ基やヒドロキシル基、スルホン酸基を有するバインダーを用いて上記特性を向上させる技術(特開2010−205722号公報、特開2010−3703号公報、国際公開第2010/113940号参照)が提案されている。
その一方で、蓄電デバイスの小型化を達成するためには、正極と負極とを隔離するセパレータ等の薄膜化も必須となる。しかしながら、蓄電デバイスの小型化によって正極と負極との間隔が狭まると短絡が発生しやすくなるという問題が生じ得る。特にリチウムイオンのような金属イオンを利用する蓄電デバイスでは、充放電を繰り返すことにより電極表面に金属イオンに起因するデンドライトが生じやすい。このようなデンドライトは通常、針状の結晶として析出するため、多孔質膜であるセパレータを貫通して成長しやすい。デンドライトがセパレータを貫通して成長することにより対極表面に到達すると、蓄電デバイスは短絡してしまい、充放電機能を失ってしまう。
セパレータの薄膜化や正極と負極の間隔が狭まることでこのような現象の発生する危険性は高まり、それに伴い信頼性は低下する。このような現象を避けるため、国際公開第2009/041395号や特開2009−87562号公報では、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドを含有する樹脂バインダーを含む多孔質層を多孔質セパレータ基材上に形成することで、電池特性を改良する技術が検討されている。また、特開2009−54455号公報では、フッ素系樹脂とゴム系樹脂を含有する結着剤を含む多孔性保護膜を正極および負極の少なくとも一方の表面に形成することで、電池特性を改良する技術が検討されている。
しかしながら、含フッ素系有機重合体とゴム系高分子とを併用する特開2011−3529号公報の技術によると、密着性は向上するものの、有機重合体の耐酸化性が大きく損なわれるため、これを用いて製造される蓄電デバイスは、充放電の繰り返しによって充放電特性が不可逆的に劣化してしまうという問題があった。一方、電極用バインダーとして含フッ素系有機重合体のみを使用する特開2010−55847号公報および特開2002−42819号公報の技術によると、密着性のレベルは未だ不十分である。
また、特開2000−299109号公報、特開2010−205722号公報、特開2010−3703号公報、国際公開第2010/113940号のようなバインダー組成では、密着性は向上するものの電極活物質に付着するバインダー自身が電極の抵抗成分となり、良好な充放電特性を長期間にわたり維持することは困難であった。
さらに、これらの電極用バインダー組成物は、蓄電デバイスの特性に着目してその優劣を評価しているに過ぎず、実用化にあたり重要となる電極用バインダー組成物の長期間にわたる貯蔵安定性に関しては検討されていない。
そこで、本発明に係る幾つかの態様は、前記課題を解決することで、長期間にわたる貯蔵安定性に優れると共に、密着性及び充放電特性が良好な電極を製造可能な蓄電デバイス用バインダー組成物を提供するものである。
一方、国際公開第2009/041395号、特開2009−87562号公報および特開2009−54455号公報に記載されているような材料によれば、セパレータや電極表面に保護膜を形成することにより充放電に伴って発生するデンドライトに起因する短絡を抑制できるものの、電解液の浸透性や保液性が低下してしまうためリチウムイオンが電極活物質へ吸脱着することを妨げてしまう。その結果、蓄電デバイスの内部抵抗が上昇し、充放電特性が劣化してしまうという問題があった。
そこで、本発明に係る幾つかの態様は、前記課題を解決することで、良好な充放電特性を有する蓄電デバイスを得るための保護膜を製造可能な蓄電デバイス用バインダー組成物を提供するものである。
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
[適用例1]
本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物の一態様は、
重合体(A)と、液状媒体(B)と、を含有する、蓄電デバイスを作製するためのバインダー組成物であって、
前記重合体(A)が100質量部中に、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を0.5〜20質量部、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を41〜60質量部、および芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を16〜40質量部含有する。
[適用例2]
適用例1の蓄電デバイス用バインダー組成物において、前記繰り返し単位(Ma)の質量をWMa、前記繰り返し単位(Mb)の質量をWMbとしたときに、質量比WMb/WMaが2〜49の範囲内にあることができる。
[適用例3]
適用例1または適用例2の蓄電デバイス用バインダー組成物において、前記重合体(A)が、100質量部中に共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)を5〜24質量部含有することができる。
[適用例4]
適用例3の蓄電デバイス用バインダー組成物において、前記繰り返し単位(Ma)の質量をWMa、前記繰り返し単位(Mc)の質量をWMc、前記繰り返し単位(Md)の質量をWMdとしたときに、質量比(WMc+WMd)/WMaが2〜50の範囲内にあることができる。
[適用例5]
本発明に係る蓄電デバイス電極用スラリーの一態様は、適用例1ないし適用例4のいずれか一例の蓄電デバイス用バインダー組成物と、電極活物質と、を含有することを特徴とする。
[適用例6]
本発明に係る蓄電デバイス電極の一態様は、集電体と、前記集電体の表面上に適用例5の蓄電デバイス電極用スラリーが塗布および乾燥されて形成された層と、を備える。
[適用例7]
本発明に係る保護膜形成用スラリーの一態様は、
適用例1ないし適用例4のいずれか一例の蓄電デバイス用バインダー組成物と、無機粒子と、を含有することを特徴とする。
[適用例8]
適用例7の保護膜形成用スラリーにおいて、
前記無機粒子が、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化マグネシウムよりなる群から選択される少なくとも1種の粒子であることができる。
[適用例9]
本発明に係る保護膜の一態様は、
適用例7または適用例8の保護膜形成用スラリーを用いて作製されることを特徴とする。
[適用例10]
本発明に係る蓄電デバイスの一態様は、
適用例6の蓄電デバイス電極を備えることを特徴とする。
[適用例11]
本発明に係る蓄電デバイスの一態様は、
適用例9の保護膜を備えることを特徴とする。
[適用例12]
適用例11の蓄電デバイスにおいて、
正極と、負極と、をさらに備え、前記保護膜が前記正極および前記負極の少なくとも一方の表面と接してなることができる。
[適用例13]
適用例12の蓄電デバイスにおいて、
前記正極および前記負極の間に配置されたセパレータをさらに備えることができる。
[適用例14]
適用例11の蓄電デバイスにおいて、
正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に配置されたセパレータと、をさらに備え、前記セパレータの表面が前記保護膜によって被覆されることができる。
本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物によれば、長期間にわたる貯蔵安定性に優れ、さらには密着性及び充放電特性に優れる蓄電デバイス電極を製造することができる。また、本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物を用いて製造された蓄電デバイス電極を備える蓄電デバイスは、電気的特性の一つである充放電レート特性が極めて良好となる。
本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物を用いて作製された保護膜を備える蓄電デバイスによれば、電解液の浸透性および保液性に優れると共に、内部抵抗の上昇を抑制することができる。すなわち、かかる蓄電デバイスは、充放電の繰り返しまたは過充電によっても蓄電デバイスの内部抵抗が上昇する程度が少ないため、充放電特性に優れる。なお、前記保護膜は、正極と負極との間に配置されるので、充放電に伴って発生するデンドライドに起因する短絡を抑制することもできる。
図1は、第1の具体例に係る蓄電デバイスの断面を示した模式図である。 図2は、第2の具体例に係る蓄電デバイスの断面を示した模式図である。 図3は、第3の具体例に係る蓄電デバイスの断面を示した模式図である。
以下、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記に記載された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含むものとして理解されるべきである。なお、本明細書における「(メタ)アクリル酸〜」とは、「アクリル酸〜」および「メタクリル酸〜」の双方を包括する概念である。また、「〜(メタ)アクリレート」とは、「〜アクリレート」および「〜メタクリレート」の双方を包括する概念である。
1.蓄電デバイス用バインダー組成物
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、重合体(A)と、液状媒体(B)と、を含有する、蓄電デバイスを作製するためのバインダー組成物である。この蓄電デバイス用バインダー組成物は、蓄電デバイスに使用される蓄電デバイス電極を作製する用途や蓄電デバイスに使用される保護膜を作製する用途に特に好適である。以下、本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる各成分について詳細に説明する。
1.1.重合体(A)
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、液状媒体(B)中に粒子として分散されたラテックスであることが好ましい。蓄電デバイス用バインダー組成物がラテックス状であると、電極活物質と混合して作製される蓄電デバイス電極用スラリーの安定性が良好となり、また蓄電デバイス電極用スラリーの集電体への塗布性が良好となるため好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中に含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を0.5〜20質量部、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を41〜60質量部、および芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を16〜40質量部含有すれば、その態様については特に制限されない。この重合体(A)は、例えば以下のような態様を取り得る。
第1の態様:含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)と、を有する共重合体。
第2の態様:含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)と不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)とを有する共重合体と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体と、の複合化重合体。
第3の態様:含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を有する重合体と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)と芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)とを有する共重合体と、の複合化重合体。
第4の態様:含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)と不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)とを有する共重合体と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)と芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)とを有する共重合体と、の複合化重合体。
第5の態様:含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を有する重合体と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を有する重合体と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体と、の複合化重合体。
ここで「複合化重合体」とは、複数の重合体が絡み合って形成される粒子状の単一重合体のことをいう。重合体を2種以上混合して粒子を形成する場合、重合体の比重差、粒子表面張力、表面極性の違い等により均一に混合することは困難であるが、上記の組み合わせであれば複合化重合体を容易に形成することができる。
また、本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、必要に応じて共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)やその他の化合物に由来する繰り返し単位を含有することができる。この場合、共重合体としてもよいし、共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)を有する重合体を準備してそれと他の重合体とを混合して複合化重合体を形成させてもよい。共重合体とする場合には、上記芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)と共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)とを有する共重合体とすることが好ましい。
以下、重合体(A)を構成する各繰り返し単位について詳細に説明する。
1.1.1.含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)
上述したように、本実施の形態で使用する重合体(A)は、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を有する。含フッ素エチレン系単量体としては、例えばフッ素原子を有するオレフィン化合物、フッ素原子を有する(メタ)アクリレート化合物等が挙げられる。フッ素原子を有するオレフィン化合物としては、例えばフッ化ビニリデン、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン、三フッ化塩化エチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル等が挙げられる。フッ素原子を有する(メタ)アクリレート化合物としては、例えば下記一般式(1)で表される化合物、(メタ)アクリル酸3[4〔1−トリフルオロメチル−2,2−ビス〔ビス(トリフルオロメチル)フルオロメチル〕エチニルオキシ〕ベンゾオキシ]2−ヒドロキシプロピル等が挙げられる。
Figure 0005459526
(一般式(1)中、Rは水素原子またはメチル基であり、Rはフッ素原子を含有する炭素数1〜18の炭化水素基である。)
上記一般式(1)中のRとしては、例えば炭素数1〜12のフッ化アルキル基、炭素数6〜16のフッ化アリール基、炭素数7〜18のフッ化アラルキル基等が挙げられるが、これらの中でも炭素数1〜12のフッ化アルキル基であることが好ましい。上記一般式(1)中のRの好ましい具体例としては、例えば2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン−2−イル基、β−(パーフルオロオクチル)エチル基、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル基、2,2,3,4,4,4−ヘキサフルオロブチル基、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル基、1H,1H,9H−パーフルオロ−1−ノニル基、1H,1H,11H−パーフルオロウンデシル基、パーフルオロオクチル基等が挙げられる。
含フッ素エチレン系単量体としては、これらのうち、フッ素原子を有するオレフィン化合物が好ましく、フッ化ビニリデン、四フッ化エチレンおよび六フッ化プロピレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることがより好ましい。上記の含フッ素エチレン系単量体は、1種単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。
一般的に含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を有するフッ素化重合体成分は、耐酸化性は良好であると考えられており、従来から正極用バインダー組成物に使用されることはあったが、このようなフッ素化重合体成分は密着性に劣っていた。そのため従来技術においては、種々のモディファイによってフッ素化重合体の密着性を向上させようとする検討が行われてきた。しかしながら、例えば重合体鎖に官能基を導入することによって密着性を向上する試みは、重合体の合成条件の精密な制御が必要であり、目的を達成することは困難であった。
本願発明においては、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)と、を有する重合体(A)を使用することにより、耐酸化性を劣化させることなく、密着性を発現することを可能としたものである。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中に含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を0.5〜20質量部含有するが、1〜10質量部含有することが好ましく、2〜8質量部含有することがより好ましく、3〜7質量部含有することが特に好ましい。重合体(A)における繰り返し単位(Ma)の含有割合が前記範囲内であると、耐酸化性と柔軟性とのバランスがとりわけ良好な重合体(A)が得られる。
さらに、重合体(A)が、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を有する重合体(Aa)と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を有する重合体(Ab)と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体(Ac)と、の複合化重合体であることにより、より効果的に耐酸化性を劣化させることなく、密着性を発現させることができる。
重合体(A)が複合化重合体である場合、前記重合体(Aa)は、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)のみを有していてもよく、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)以外の、共重合可能な他の不飽和単量体に由来する繰り返し単位を有していてもよい。このような他の不飽和単量体としては、例えば、後述の不飽和カルボン酸エステル、芳香族ビニル化合物、共役ジエン化合物、不飽和カルボン酸、α,β−不飽和ニトリル化合物、その他の不飽和単量体を挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。
重合体(Aa)における含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)の含有割合は、重合体(Aa)の全質量に対して、好ましくは80質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上、特に好ましくは100質量%である。
重合体(Aa)がフッ化ビニリデンに由来する繰り返し単位を含有する場合、その含有割合は、好ましくは50〜99質量%であり、より好ましくは80〜98質量%である。重合体(Aa)が四フッ化エチレンに由来する繰り返し単位を含有する場合、その含有割合は、好ましくは1〜50質量%であり、より好ましくは2〜20質量%である。重合体(Aa)が六フッ化プロピレンに由来する繰り返し単位を含有する場合、その含有割合は、好ましくは1〜50質量%であり、より好ましくは2〜20質量%である。
重合体(Aa)は、上記の含フッ素エチレン系単量体、および任意的に他の不飽和単量体を、公知の方法に従って乳化重合することにより容易に製造することができる。
1.1.2.不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)
上述したように、本実施の形態で使用する重合体(A)は、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を有する。一般的に、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を有する重合体は、密着性は良好であるが、耐酸化性が不良であると考えられていた。しかしながら、本願発明は、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)と、を有する重合体(A)を使用することにより、良好な密着性を維持しつつ、十分な耐酸化性を発現することに成功したものである。
上記の不飽和カルボン酸エステルは、(メタ)アクリル酸エステルであることが好ましい。(メタ)アクリル酸エステルの具体例としては、例えば(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n−プロピル、(メタ)アクリル酸i−プロピル、(メタ)アクリル酸n−ブチル、(メタ)アクリル酸i−ブチル、(メタ)アクリル酸n−アミル、(メタ)アクリル酸i−アミル、(メタ)アクリル酸n−ヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸n−オクチル、(メタ)アクリル酸n−ノニル、(メタ)アクリル酸n−デシル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシメチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸エチレングリコール、ジ(メタ)アクリル酸エチレングリコール、ジ(メタ)アクリル酸プロピレングリコール、トリ(メタ)アクリル酸トリメチロールプロパン、テトラ(メタ)アクリル酸ペンタエリスリトール、ヘキサ(メタ)アクリル酸ジペンタエリスリトール、(メタ)アクリル酸アリル、ジ(メタ)アクリル酸エチレンなどを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上であることができる。これらのうち、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシメチルおよび(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチルから選択される1種以上であることが好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中に不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を41〜60質量部含有するが、42〜55質量部含有することが好ましく、43〜51質量部含有することがより好ましく、44〜48質量部含有することが特に好ましい。重合体(A)における繰り返し単位(Mb)の含有割合が前記範囲内であると、耐酸化性と柔軟性とのバランスがとりわけ良好な重合体(A)が得られる。
重合体(A)が上述の複合化重合体である場合、不飽和カルボン酸に由来する繰り返し単位(Mb)を有する重合体(Ab)は、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)のみを有する重合体であってもよく、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)のほかに、共重合可能な他の不飽和単量体に由来する構成単位を有していてもよい。このような他の不飽和単量体としては、例えば、後述の共役ジエン化合物、不飽和カルボン酸、α,β−不飽和ニトリル化合物、その他の不飽和単量体を挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。
重合体(Ab)における不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)の含有割合は、重合体(Ab)の全質量に対して、好ましくは65質量%以上であり、より好ましくは75質量%以上である。
1.1.3.芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)
上述したように、本実施の形態で使用する重合体(A)は、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する。一般的に、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体は、密着性は良好であるが、耐酸化性が不良であると考えられていた。しかしながら、本願発明は、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)と、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)と、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)と、を有する重合体(A)を使用することにより、良好な密着性を維持しつつ、十分な耐酸化性を発現することに成功したものである。また、重合体(A)が芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有することにより、重合体(A)のガラス転移温度が適当な値となり、作製される電極板が適度な柔軟性を有し、蓄電デバイス作製時に電極板にクラックが入る等の問題が起きにくくなる。
芳香族ビニル化合物の具体例としては、例えばスチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、ビニルトルエン、クロルスチレン、ジビニルベンゼンなどを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上であることができる。芳香族ビニル化合物としては、上記のうち特にスチレンであることが好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中に芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を16〜40質量部含有するが、16〜35質量部含有することが好ましく、16〜30質量部含有することがより好ましく、16〜25質量部含有することが特に好ましい。重合体(A)における繰り返し単位(Mc)の含有割合が前記範囲内であると、耐酸化性と柔軟性とのバランスがとりわけ良好な重合体(A)が得られる。このような重合体(A)を用いることで、集電体に対する結着性が良好なものとなる。
重合体(A)が上述の複合化重合体である場合、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体(Ac)は、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)のみを有する重合体であってもよく、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)のほかに、共重合可能な他の不飽和単量体に由来する構成単位を有していてもよい。このような他の不飽和単量体としては、例えば、前述の不飽和カルボン酸エステル、後述の共役ジエン化合物、不飽和カルボン酸、α,β−不飽和ニトリル化合物、その他の不飽和単量体を挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。
重合体(Ac)における芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)の含有割合は、重合体(Ac)の全質量に対して、好ましくは20質量%以上であり、より好ましくは30質量%以上である。
1.1.4.共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)
上述したように、本実施の形態で使用する重合体(A)は、共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)を有してもよい。共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)を有することにより、粘弾性及び強度に優れた蓄電デバイス用バインダー組成物を製造することが容易となる。すなわち、共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位を有する重合体を使用すると、重合体(A)が強い結着力を有することができる。共役ジエン化合物に由来するゴム弾性が重合体(A)に付与されるため、電極の体積収縮や拡大等の変化に追従することが可能となる。これにより、結着性を向上させて、さらには長期に充放電特性を維持する耐久性を有するものと考えられる。
共役ジエン化合物としては、例えば1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロル−1,3−ブタジエンなどを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上であることができる。共役ジエン化合物としては、1,3−ブタジエンが特に好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中に共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)を5〜24質量部含有することが好ましく、10〜22質量部含有することがより好ましく、14〜20質量部含有することが特に好ましい。重合体(A)における繰り返し単位(Md)の含有割合が前記範囲内であると、重合体(A)のガラス転移温度が適当な値となり、作製される電極板が適度な粘弾性を有し、電極作製時に電極板表面にクラックが入る等の問題が起きにくくなる。
1.1.5.その他の繰り返し単位
本実施の形態に係る重合体(A)は、上記以外の繰り返し単位を有してもよい。上記以外の繰り返し単位としては、例えば不飽和カルボン酸に由来する繰り返し単位、α,β−不飽和ニトリル化合物に由来する繰り返し単位等が挙げられる。
1.1.5.1.不飽和カルボン酸に由来する繰り返し単位
本実施の形態に係る重合体(A)が不飽和カルボン酸に由来する繰り返し単位を有することにより、本願発明の蓄電デバイス用バインダー組成物を用いて作製される蓄電デバイス電極用スラリーの安定性が向上する。
不飽和カルボン酸の具体例としては、例えばアクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等のモノまたはジカルボン酸を挙げることができ、これらから選択される1種以上であることができる。特に、アクリル酸、メタクリル酸およびイタコン酸から選択される1種以上であることが好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中に不飽和カルボン酸に由来する繰り返し単位を15質量部以下含有することが好ましく、0.3〜10質量部含有することがより好ましい。重合体(A)における繰り返し単位の含有割合が前記範囲内であると、蓄電デバイス電極用スラリー調製時において、重合体(A)の分散安定性が優れるため、凝集物が生じにくい。また、経時的なスラリー粘度の上昇も抑えることができる。
1.1.5.2.α,β−不飽和ニトリル化合物に由来する繰り返し単位
本実施の形態に係る重合体(A)がα,β−不飽和ニトリル化合物に由来する繰り返し単位を有することにより、重合体(A)の電解液に対する膨潤性をより向上させることができる。すなわち、ニトリル基の存在によって重合体鎖からなる網目構造に溶媒が侵入し易くなって網目間隔が広がるため、溶媒和したリチウムイオンがこの網目構造をすり抜けて移動し易くなる。これにより、リチウムイオンの拡散性が向上すると考えられ、その結果、電極抵抗が低下してより良好な充放電特性を実現することができるのである。
α,β−不飽和ニトリル化合物の具体例としては、例えばアクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−クロロアクリロニトリル、α−エチルアクリロニトリル、シアン化ビニリデンなどを挙げることができ、これらから選択される1種以上であることができる。これらのうち、アクリロニトリルおよびメタクリロニトリルから選択される1種以上であることが好ましく、アクリロニトリルであることがより好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、100質量部中にα,β−不飽和ニトリル化合物に由来する繰り返し単位を15質量部以下含有することが好ましく、0.3〜10質量部含有することがより好ましい。重合体(A)における繰り返し単位の含有割合が前記範囲内であると、使用する電解液との親和性に優れ、かつ膨潤率が大きくなりすぎず、電池特性の向上に寄与することができる。
1.1.6.繰り返し単位の質量比
ここで、本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)中の、前記繰り返し単位(Ma)の質量をWMa、前記繰り返し単位(Mb)の質量をWMb、前記繰り返し単位(Mc)の質量をWMc、前記繰り返し単位(Md)の質量をWMdとする。
この場合、本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、質量比(WMc+WMd)/WMaが2〜50の範囲内にあることが好ましく、3〜40の範囲内にあることがより好ましく、4〜30の範囲内にあることが特に好ましい。質量比(WMc+WMd)/WMaが前記範囲内にあると、重合体(A)に付与される耐酸化性と密着性とのバランスが良好なものとなり、充放電レート特性に優れた蓄電デバイス電極の作製が可能となる。質量比(WMc+WMd)/WMaが50を超える場合、重合体(A)に付与される耐酸化性が不十分となるため、得られる蓄電デバイスの充放電レートが低下する傾向がある。一方、質量比(WMc+WMd)/WMaが2未満の場合、重合体(A)に付与される密着性が不十分となるため、得られる蓄電デバイスの充放電レートが低下する傾向がある。
また、本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)は、質量比WMb/WMaが2〜49の範囲内にあることが好ましく、2〜30の範囲内にあることがより好ましく、2〜15の範囲内にあることが特に好ましい。質量比WMb/WMaが前記範囲内にあると、重合体(A)に付与される耐酸化性と密着性とのバランスが良好となり、充放電レート特性に優れた蓄電デバイス電極の作製が可能となる。質量比WMb/WMaが49を超える場合、重合体(A)に付与される耐酸化性が不十分となるため、得られる蓄電デバイスの充放電レートが低下する傾向がある。一方、質量比WMb/WMaが2未満の場合、重合体(A)に付与される密着性が不十分となるため、得られる蓄電デバイスの充放電レートが低下する傾向がある。
1.1.7.調製方法
重合体(A)の合成方法は、上記のような構成を有するものである限り、特に限定されるものではない。例えば公知の乳化重合法またはこれを適宜に組み合わせて各種重合体を合成し、これらの重合体を混合・攪拌することにより容易に調製することができる。以下、重合体(A)の合成方法の一具体例について説明する。
まず、含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を有する重合体(Aa)、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を有する重合体(Ab)、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体(Ac)をそれぞれ公知の乳化重合法を用いて合成する。
この乳化重合法は、一般的に用いられる乳化剤(界面活性剤)、重合開始剤、分子量調整剤等の存在下で行うことができる。
乳化剤の具体例としては、例えば高級アルコールの硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、脂肪族スルホン酸塩、脂肪族カルボン酸塩、デヒドロアビエチン酸塩、ナフタレンスルホン酸・ホルマリン縮合物、非イオン性界面活性剤の硫酸エステル塩などのアニオン性界面活性剤;ポリエチレングリコールのアルキルエステル、ポリエチレングリコールのアルキルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールのアルキルエーテルなどのノニオン性界面活性剤;パーフルオロブチルスルホン酸塩、パーフルオロアルキル基含有リン酸エステル、パーフルオロアルキル基含有カルボン酸塩、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物などのフッ素系界面活性剤などを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。
重合開始剤の具体例としては、例えば過硫酸リチウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウムなどの水溶性重合開始剤;クメンハイドロパーオキサイド、過酸化ベンゾイル、t−ブチルハイドロパーオキサイド、アセチルパーオキサイド、ジイソプロピルベンゼンハイドロパーオキサイド、1,1,3,3−テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド、アゾビスイソブチロニトリル、1,1’−アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)などの油溶性重合開始剤などを適宜選択して用いることができる。これらのうち、特に過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、クメンハイドロパーオキサイドまたはt−ブチルハイドロパーオキサイドを使用することが好ましい。重合開始剤の使用割合は特に制限されないが、単量体組成、重合反応系のpH、他の添加剤などの組み合わせなどを考慮して適宜設定される。
分子量調節剤の具体例としては、例えばn−ヘキシルメルカプタン、n−オクチルメルカプタン、t−オクチルメルカプタン、n−ドデシルメルカプタン、t−ドデシルメルカプタン、n−ステアリルメルカプタンなどのアルキルメルカプタン;ジメチルキサントゲンジサルファイド、ジイソプロピルキサントゲンジサルファイドなどのキサントゲン化合物;ターピノレン、テトラメチルチウラムジスルフィド、テトラエチルチウラムジスルフィド、テトラメチルチウラムモノスルフィドなどのチウラム化合物;2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、スチレン化フェノールなどのフェノール化合物;アリルアルコールなどのアリル化合物;ジクロルメタン、ジブロモメタン、四臭化炭素などのハロゲン化炭化水素化合物;α−ベンジルオキシスチレン、α−ベンジルオキシアクリロニトリル、α−ベンジルオキシアクリルアミドなどのビニルエーテル化合物などのほか、トリフェニルエタン、ペンタフェニルエタン、アクロレイン、メタアクロレイン、チオグリコール酸、チオリンゴ酸、2−エチルヘキシルチオグリコレート、α−メチルスチレンダイマーなどを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。
なお、芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を有する重合体(Ac)は、例えば以下に示す二段階の乳化重合工程により容易に作製することができる。
一段目の乳化重合工程に用いられる単量体成分(I)には、例えば、α,β−不飽和ニトリル化合物、共役ジエン化合物、芳香族ビニル化合物、および(メタ)アクリレート化合物等の非カルボン酸系単量体と、不飽和カルボン酸等のカルボン酸系単量体と、が含有される。単量体成分(I)に含まれる非カルボン酸系単量体の含有割合は、非カルボン酸系単量体とカルボン酸系単量体の合計100質量%中、80〜99質量%であることが好ましく、82〜97質量%であることがより好ましい。非カルボン酸系単量体の含有割合が前記範囲であると、蓄電デバイス電極用スラリー調製時において、重合体粒子の分散安定性に優れるため、凝集物が生じにくい。また、経時的なスラリー粘度の上昇も抑えることができる。
単量体成分(I)において、非カルボン酸系単量体中の(メタ)アクリレート化合物の含有割合は5〜30質量%であることが好ましい。(メタ)アクリレート化合物の含有割合が前記範囲にあると、蓄電デバイス電極用スラリー調製時において、重合体粒子の分散安定性に優れるため、凝集物が生じにくい。また、得られる重合体粒子は電解液との親和性が適度なものとなり、電解液を過大に吸収することによる結着性の低下を防ぐことができる。
単量体成分(I)において、非カルボン酸系単量体中の共役ジエン化合物の含有割合は10〜60質量%であることが好ましく、芳香族ビニル化合物の含有割合は16〜60質量%であることが好ましい。また、カルボン酸系単量体中のイタコン酸の割合は、50〜85質量%であることが好ましい。
二段目の乳化重合工程に用いられる単量体成分(II)には、例えば、α,β−不飽和ニトリル化合物、共役ジエン化合物、芳香族ビニル化合物、および(メタ)アクリレート化合物等の非カルボン酸系単量体と、不飽和カルボン酸等のカルボン酸系単量体と、が含有される。単量体成分(II)に含まれる非カルボン酸系単量体の含有割合は、非カルボン酸系単量体とカルボン酸系単量体の合計100質量%中、94〜99.5質量%であることが好ましい。非カルボン酸系単量体の含有割合が前記範囲にあると、蓄電デバイス電極用スラリー調製時において、重合体粒子の分散安定性に優れるため、凝集物が生じにくい。また、経時的なスラリー粘度の上昇も抑えることができる。
単量体成分(II)において、非カルボン酸系単量体中の(メタ)アクリレート化合物の含有割合は17質量%以下であることが好ましい。(メタ)アクリレート化合物の含有割合が前記範囲であると、得られる重合体粒子は電解液との親和性が適度なものとなり、電解液を過大に吸収することによる結着性の低下を防ぐことができる。
また、重合体構成単量体において、単量体成分(I)と単量体成分(II)との質量比((I)/(II)比)は、0.05〜0.5であることが好ましい。(I)/(II)比が前記範囲にあると、蓄電デバイス電極用スラリー調製時において、重合体粒子の分散安定性に優れるため、凝集物が生じにくい。また、経時的なスラリー粘度の上昇も抑えることができる。
一段目の乳化重合工程は、重合温度が40〜80℃、重合時間が2〜4時間の条件で行うことが好ましい。一段目の乳化重合工程においては、重合転化率が50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。また、二段目の乳化重合工程は、重合温度が40〜80℃、重合時間が2〜6時間の条件で行うことが好ましい。
乳化重合終了後は中和剤を添加することにより分散液のpHが5〜10程度となるように中和処理することが好ましい。使用する中和剤としては、特に限定されるものではないが、通常水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の金属水酸化物やアンモニアが挙げられる。分散液のpHを5〜10の範囲に設定することで分散液の配合安定性が良好となるが、好ましくは6〜9、より好ましくは7〜8.5である。乳化重合工程における全固形分濃度を50質量%以下とすると分散安定性良く反応を進行させることができるが、好ましくは45質量%以下、より好ましくは40質量%以下である。また、中和処理を行った後に濃縮することにより粒子の安定性をさらに良好にさせながら高固形分化させることができる。
このようにして得られた重合体(Aa)を含む分散体と、重合体(Ab)を含む分散体と、重合体(Ac)を含む分散体と、を繰り返し単位が所定の割合となるように混合して十分に攪拌することにより、複合化重合体である重合体(A)を含む分散体が得られる。
1.1.8.重合体(A)の物性
1.1.8.1.テトラヒドロフラン(THF)不溶分
重合体(A)のTHF不溶分は、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。THF不溶分は、蓄電デバイスで使用する電解液への不溶分量とほぼ比例すると推測される。このため、THF不溶分が前記範囲であれば、蓄電デバイスを作製して、長期間にわたり充放電を繰り返した場合でも電解液への重合体(A)の溶出を抑制できるため良好であると推測できる。
1.1.8.2.転移温度
JIS K7121に準拠する示差走査熱量測定(DSC)によって測定したときに、重合体(A)は−50〜250℃の温度範囲において吸熱ピークを1つしか有さないものであることが好ましい。重合体(A)の有する1つのみの吸熱ピークの温度が前記範囲内にある場合には、重合体(A)が電極活物質層に対してより良好な柔軟性と粘着性とを付与することができ、従って密着性をより向上させることができる点で好ましい。
なお、重合体(Aa)が単独で存在する場合には、一般的に−50〜250℃に吸熱ピーク(融解温度)を有する。また、重合体(Ab)および重合体(Ac)は、一般的に重合体(Aa)とは異なる吸熱ピーク(ガラス転移温度)を有する。このため、重合体(Aa)、重合体(Ab)および重合体(Ac)が、例えばコア−シエル構造のように相分離して存在する場合、−50〜250℃において3つの吸熱ピークが観察されるはずである。しかしながら、−50〜250℃における吸熱ピークが1つのみである場合には、重合体(Aa)と重合体(Ab)と重合体(Ac)とが相分離せずに存在していることを示しており、重合体(A)がポリマーアロイ粒子であると推定することができる。
1.1.8.3.数平均粒子径
重合体(A)の数平均粒子径は、50〜400nmの範囲にあることが好ましく、100〜250nmの範囲にあることがより好ましい。重合体(A)の数平均粒子径が前記範囲にあると、電極活物質の表面に重合体(A)が十分に吸着することができるため、電極活物質の移動に伴って重合体(A)も追随して移動することができる。その結果、両者の粒子のうちのどちらかのみが単独でマイグレーションすることを抑制することができるので、電気的特性の劣化を抑制することができる。
なお、重合体(A)の数平均粒子径とは、光散乱法を測定原理とする粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定し、小さい粒子から粒子を累積したときの粒子数の累積度数が50%となる粒子径(D50)の値である。このような粒度分布測定装置としては、例えばコールターLS230、LS100、LS13 320(以上、Beckman Coulter.Inc製)や、FPAR−1000(大塚電子株式会社製)などを挙げることができる。これらの粒度分布測定装置は、重合体(A)の一次粒子だけを評価対象とするものではなく、一次粒子が凝集して形成された二次粒子をも評価対象とすることができる。従って、これらの粒度分布測定装置によって測定された粒度分布は、蓄電デバイス電極用スラリー中に含まれる重合体(A)の分散状態の指標とすることができる。なお、重合体(A)の数平均粒子径は、蓄電デバイス電極用スラリーを遠心分離して電極活物質を沈降させた後、その上澄み液を上記の粒度分布測定装置によって測定する方法によっても測定することができる。
1.2.液状媒体(B)
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、液状媒体(B)を含有する。液状媒体(B)としては、水を含有する水系媒体であることが好ましい。上記水系媒体には、水以外の非水系媒体を含有させることができる。この非水系媒体としては、例えばアミド化合物、炭化水素、アルコール、ケトン、エステル、アミン化合物、ラクトン、スルホキシド、スルホン化合物などを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。液状媒体(B)が水と、水以外の非水系媒体を含有する場合、液状媒体(B)の全量100質量%中、90質量%以上が水であることが好ましく、98質量%以上が水であることがより好ましい。本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、液状媒体(B)として水系媒体を使用することにより、環境に対して悪影響を及ぼす程度が低くなり、取扱作業者に対する安全性も高くなる。
水系媒体中に含まれる非水系媒体の含有割合は、水系媒体100質量部に対して、10質量部以下であることが好ましく、5質量部以下であることがより好ましく、実質的に含有しないことが特に好ましい。ここで、「実質的に含有しない」とは、液状媒体として非水系媒体を意図的に添加しないという程度の意味であり、蓄電デバイス用バインダー組成物を作製する際に不可避的に混入する非水系媒体を含んでもよい。
1.3.その他の添加剤
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、必要に応じて重合体(A)、液状媒体(B)以外の添加剤を含有することができる。このような添加剤としては、例えば増粘剤が挙げられる。本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、増粘剤を含有することにより、その塗布性や得られる蓄電デバイスの充放電特性等をさらに向上させることができる。
このような増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース化合物;上記セルロース化合物のアンモニウム塩またはアルカリ金属塩;ポリ(メタ)アクリル酸、変性ポリ(メタ)アクリル酸などのポリカルボン酸;上記ポリカルボン酸のアルカリ金属塩;ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体などのポリビニルアルコール系(共)重合体;(メタ)アクリル酸、マレイン酸およびフマル酸などの不飽和カルボン酸とビニルエステルとの共重合体の鹸化物などの水溶性ポリマーなどを挙げることができる。これらの中でも特に好ましい増粘剤としては、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩、ポリ(メタ)アクリル酸、変性ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸のアルカリ金属塩などである。
これら増粘剤の市販品としては、例えばCMC1120、CMC1150、CMC2200、CMC2280、CMC2450(以上、株式会社ダイセル製)等のカルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩を挙げることができる。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用バインダー組成物が増粘剤を含有する場合、増粘剤の使用割合は、蓄電デバイス用バインダー組成物の全固形分量に対して、5質量%以下であることが好ましく、0.1〜3質量%であることがより好ましい。
2.蓄電デバイス電極用スラリー
本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーは、上述の蓄電デバイス用バインダー組成物を用いて製造することができる。蓄電デバイス電極用スラリーとは、これを集電体の表面に塗布した後、乾燥して、集電体表面上に電極活物質層を形成するために用いられる分散液のことをいう。本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーは、上述の蓄電デバイス用バインダー組成物と、電極活物質と、を含有する。以下、本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーに含まれる成分についてそれぞれ詳細に説明する。ただし、蓄電デバイス用バインダー組成物については、前述した通りであるから説明を省略する。
2.1.電極活物質
本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーに含まれる電極活物質を構成する材料としては特に制限はなく、目的とする蓄電デバイスの種類により適宜適当な材料を選択することができる。
例えば、リチウムイオン二次電池の正極を作製する場合には、リチウム原子含有酸化物であることが好ましい。本明細書における「酸化物」とは、酸素と、酸素よりも電気陰性度の小さい元素と、からなる化合物または塩を意味する概念であり、金属酸化物の他、金属のリン酸塩、硝酸塩、ハロゲンオキソ酸塩、スルホン酸塩等をも包含する概念である。
リチウム原子含有酸化物としては、下記一般式(2a)または(2b)で表される複合金属酸化物、および下記一般式(3)で表されかつオリビン型結晶構造を有するリチウム原子含有酸化物が挙げられ、これらよりなる群から選択される1種以上を使用することが好ましい。
Li1+x ・・・・・(2a)
Li1+x ・・・・・(2b)
(式(2a)および(2b)中、MはCo、NiおよびMnよりなる群から選択される少なくとも1種の金属原子であり;MはAlおよびSnよりなる群から選択される少なくとも1種の金属原子であり;Oは酸素原子であり;x、yおよびzは、それぞれ、0.10≧x≧0、4.00≧y≧0.85および2.00≧z≧0の範囲の数である。)
Li1−x (XO) ・・・・・(3)
(式(3)中、Mは、Mg、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ga、GeおよびSnよりなる群から選択される金属のイオンの少なくとも1種であり;Xは、Si、S、PおよびVよりなる群から選択される少なくとも1種であり;xは数であり、0<x<1の関係を満たす。)
なお、上記一般式(3)におけるxの値は、MおよびXの価数に応じて、それぞれ上記一般式(3)全体の価数が0価となるように選択される。
上記一般式(2a)または(2b)で表される複合金属酸化物としては、例えばLiCoO、LiNiO、LiNiCo1−y(y=0.01〜0.99)、LiMnO、LiMn、LiCoMnNi(x+y+z=1)などを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。これらのうち、LiCoO、LiMn、LiNiOおよびLiNi0.33Mn0.33Co0.33は電極電位が高く高効率であるため、高電圧および高エネルギー密度を有する蓄電デバイスを得ることができる。Li1+x は、固体内のLi拡散速度が速く、充放電レートに優れる点で特に好ましい。
上記一般式(3)で表され、かつオリビン結晶構造を有するリチウム原子含有酸化物は、金属元素Mの種類によって電極電位が異なる。従って、金属元素Mの種類を選択することにより、電池電圧を任意に設定することができる。オリビン結晶構造を有するリチウム原子含有酸化物の代表的なものとしては、LiFePO、LiCoPO、Li0.90Ti0.05Nb0.05Fe0.30Co0.30Mn0.30POなどを挙げることができる。これらのうち、特にLiFePOは、原料となる鉄化合物の入手が容易であるとともに安価であるため好ましい。また、上記の化合物中のFeイオンをCoイオン、NiイオンまたはMnイオンに置換した化合物も、上記各化合物と同じ結晶構造を有するので、電極活物質として同様の効果を有する。
一方、リチウムイオン二次電池の負極を作製する場合には、電極活物質(負極活物質)としては、例えばカーボンを用いることができる。カーボンの具体例としては、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロース等の有機高分子化合物を焼成することにより得られる炭素材料;コークスやピッチを焼成することにより得られる炭素材料;人造グラファイト;天然グラファイト等が挙げられる。
電気二重層キャパシタ電極を作製する場合には、電極活物質としては、例えば活性炭、活性炭繊維、シリカ、アルミナ等を用いることができる。また、リチウムイオンキャパシタ電極を作製する場合には、黒鉛、難黒鉛化炭素、ハードカーボン、コークス等の炭素材料や、ポリアセン系有機半導体(PAS)等を用いることができる。
電極活物質の数平均粒子径(Db)は、正極では0.4〜10μmの範囲とすることが好ましく、0.5〜7μmの範囲とすることがより好ましい。負極では3〜30μmの範囲とすることが好ましく、5〜25μmの範囲とすることがより好ましい。電極活物質の数平均粒子径(Db)が前記範囲内であると、電極活物質内におけるリチウムの拡散距離が短くなるので、充放電の際のリチウムの脱挿入に伴う抵抗を低減することができ、その結果、充放電特性がより向上する。さらに、蓄電デバイス電極用スラリーが後述の導電付与剤を含有する場合、電極活物質の数平均粒子径(Db)が前記範囲内であることにより、電極活物質と導電付与剤との接触面積を十分に確保することができることとなり、電極の電子導電性が向上し、電極抵抗がより低下する。
ここで、電極活物質の数平均粒子径(Db)とは、レーザー回折法を測定原理とする粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定し、小さい粒子から粒子を累積したときの粒子数の累積度数が50%となる粒子径(D50)の値である。このようなレーザー回折式粒度分布測定装置としては、例えばHORIBA LA−300シリーズ、HORIBA LA−920シリーズ(以上、株式会社堀場製作所製)などを挙げることができる。この粒度分布測定装置は、電極活物質の一次粒子だけを評価対象とするものではなく、一次粒子が凝集して形成された二次粒子をも評価対象とする。従って、この粒度分布測定装置によって得られた数平均粒子径(Db)は、蓄電デバイス電極用スラリー中に含まれる電極活物質の分散状態の指標とすることができる。なお、電極活物質の平均粒子径(Db)は、蓄電デバイス電極用スラリーを遠心分離して電極活物質を沈降させた後、その上澄み液を除去し、沈降した電極活物質を上記の方法により測定することによっても測定することができる。
2.2.その他の成分
上記蓄電デバイス電極用スラリーは、必要に応じて前述した成分以外の成分を含有することができる。このような成分としては、例えば導電付与剤、非水系媒体、増粘剤等が挙げられる。
2.2.1.導電付与剤
上記導電付与剤の具体例としては、リチウムイオン二次電池においてはカーボンなどが;ニッケル水素二次電池においては、正極では酸化コバルトが:負極ではニッケル粉末、酸化コバルト、酸化チタン、カーボンなどが、それぞれ用いられる。上記両電池において、カーボンとしては、グラファイト、活性炭、アセチレンブラック、ファーネスブラック、黒鉛、炭素繊維、フラーレンなどを挙げることができる。これらの中でも、アセチレンブラックまたはファーネスブラックを好ましく使用することができる。導電付与剤の使用割合は、電極活物質100質量部に対して、好ましくは20質量部以下であり、より好ましくは1〜15質量部であり、特に好ましくは2〜10質量部である。
2.2.2.非水系媒体
上記蓄電デバイス電極用スラリーは、その塗布性を改善する観点から、80〜350℃の標準沸点を有する非水系媒体を含有することができる。このような非水系媒体の具体例としては、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのアミド化合物;トルエン、キシレン、n−ドデカン、テトラリンなどの炭化水素;2−エチル−1−ヘキサノール、1−ノナノール、ラウリルアルコールなどのアルコール;メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ホロン、アセトフェノン、イソホロンなどのケトン;酢酸ベンジル、酪酸イソペンチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどのエステル;o−トルイジン、m−トルイジン、p−トルイジンなどのアミン化合物;γ−ブチロラクトン、δ−ブチロラクトンなどのラクトン;ジメチルスルホキシド、スルホランなどのスルホキシド・スルホン化合物などを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。これらの中でも、重合体粒子の安定性、蓄電デバイス電極用スラリーを塗布する際の作業性などの点から、N−メチルピロリドンを使用することが好ましい。
2.2.3.増粘剤
上記蓄電デバイス電極用スラリーは、その塗工性を改善する観点から、増粘剤を含有することができる。増粘剤の具体例としては、上記「1.3.その他の添加剤」に記載した各種化合物が挙げられる。
蓄電デバイス電極用スラリーが増粘剤を含有する場合、増粘剤の使用割合としては、蓄電デバイス電極用スラリーの全固形分量に対して、好ましくは20質量%以下であり、より好ましくは0.1〜15質量%であり、特に好ましくは0.5〜10質量%である。
2.3.蓄電デバイス電極用スラリーの製造方法
本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーは、前述の蓄電デバイス用バインダー組成物と、電極活物質と、水と、必要に応じて用いられる添加剤と、を混合することにより製造することができる。これらの混合には公知の手法による攪拌によって行うことができ、例えば攪拌機、脱泡機、ビーズミル、高圧ホモジナイザーなどを利用することができる。
蓄電デバイス電極用スラリーの調製(各成分の混合操作)は、少なくともその工程の一部を減圧下で行うことが好ましい。これにより、得られる電極層内に気泡が生じることを防止することができる。減圧の程度としては、絶対圧として、5.0×10〜5.0×10Pa程度とすることが好ましい。
蓄電デバイス電極用スラリーを製造するための混合撹拌としては、スラリー中に電極活物質の凝集体が残らない程度に撹拌し得る混合機と、必要にして十分な分散条件とを選択する必要がある。分散の程度は粒ゲージにより測定可能であるが、少なくとも100μmより大きい凝集物がなくなるように混合分散することが好ましい。このような条件に適合する混合機としては、例えばボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、ホバートミキサーなどを例示することができる。
2.4.蓄電デバイス電極用スラリーの特徴
前述の蓄電デバイス用バインダー組成物に含まれる重合体(A)の数平均粒子径(Da)と電極活物質の数平均粒子径(Db)との比(Da/Db)は、正極では0.01〜1.0の範囲にあることが好ましく、0.05〜0.5の範囲にあることがより好ましい。負極では、0.002〜0.13の範囲にあることが好ましく、0.003〜0.1の範囲にあることがより好ましい。このことの技術的な意味は、以下の通りである。
蓄電デバイス電極用スラリーを集電体の表面に塗布した後、形成された塗膜を乾燥する工程において、重合体(A)および電極活物質のうちの少なくとも一方がマイグレーションすることが確認されている。すなわち、粒子が表面張力の作用を受けることによって塗膜の厚み方向に沿って移動するのである。より具体的には、重合体(A)および電極活物質のうちの少なくとも一方が、塗膜面のうちの、集電体と接する面とは反対側、すなわち水が蒸発する気固界面側へと移動する。このようなマイグレーションが起こると、重合体(A)および電極活物質の分布が塗膜の厚み方向で不均一となり、電極特性が悪化する、密着性が損なわれるなどの問題が発生する。例えば、バインダーとして機能する重合体(A)が電極活物質層の気固界面側へとブリード(移行)し、集電体と電極活物質層との界面における重合体(A)の量が相対的に少なくなると、電極活物質層への電解液の浸透が阻害されることにより十分な電気的特性が得られなくなるとともに、集電体と電極活物質層との結着性が不足して剥離してしまう。さらに、重合体(A)がブリードすることにより、電極活物質層表面の平滑性が損なわれてしまう。
しかしながら、両粒子の数平均粒子径の比(Da/Db)が前記範囲にあると、前述したような問題の発生を抑制することができ、良好な電気的特性と結着性とが両立した蓄電デバイス電極を容易に製造できることとなる。比(Da/Db)が前記範囲未満では、粉落ち耐性が不十分となる場合がある。一方、比(Da/Db)が前記範囲を超えると、集電体と電極活物質層との間の結着性が不足する場合がある。
本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーは、その固形分濃度(スラリー中の溶媒以外の成分の合計質量がスラリーの全質量に対して占める割合)が20〜80質量%であることが好ましく、30〜75質量%であることがより好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイス電極用スラリーは、その曳糸性が30〜80%であることが好ましく、33〜79%であることがより好ましく、35〜78%であることが特に好ましい。曳糸性が前記範囲未満であると、蓄電デバイス電極用スラリーを集電体上へ塗布する際、レベリング性が不足するため、電極厚みの均一性が得られ難くなる場合がある。このような厚みが不均一な蓄電デバイス電極を使用すると、充放電反応の面内分布が発生するため、安定した電池性能の発現が困難となる。一方、曳糸性が前記範囲を超えると、蓄電デバイス電極用スラリーを集電体上に塗布する際、液ダレが起き易くなり、安定した品質の蓄電デバイス電極が得られにくい。したがって、曳糸性が前記範囲にあれば、これらの問題の発生を抑制することができ、良好な電気的特性と密着性とを両立させた蓄電デバイス電極を製造することが容易となるのである。
本明細書における「曳糸性」は、以下のようにして測定される。
まず、底部に直径5.2mmの開口部を有するザーンカップ(太佑機材株式会社製、ザーンビスコシティーカップNo.5)を準備する。この開口部を閉じた状態で、ザーンカップに蓄電デバイス電極用スラリー40gを流し込む。その後、開口部を開放すると、開口部から蓄電デバイス電極用スラリーが流れ出す。ここで、開口部を開放した時をT、蓄電デバイス電極用スラリーの曳糸が終了した時をT、蓄電デバイス電極用スラリーの流出が終了した時をTとした場合に、本明細書における「曳糸性」は下記式(4)から求めることができる。
曳糸性(%)=((T−T)/(T−T))×100 ・・・・・(4)
3.蓄電デバイス電極
本実施の形態に係る蓄電デバイス電極は、集電体と、前記集電体の表面上に前述の蓄電デバイス電極用スラリーが塗布および乾燥されて形成された層と、を備えるものである。かかる蓄電デバイス電極は、金属箔などの適宜の集電体の表面に、上述の蓄電デバイス電極用スラリーを塗布して塗膜を形成し、次いで該塗膜を乾燥して電極活物質層を形成することにより製造することができる。このようにして製造された蓄電デバイス電極は、集電体上に、前述の重合体(A)および電極活物質、さらに必要に応じて添加した任意成分を含有する電極活物質層が結着されてなるものである。かかる蓄電デバイス電極は、集電体と電極活物質層との結着性に優れるとともに、電気的特性の一つである充放電レート特性が良好である。
集電体は、導電性材料からなるものであれば特に制限されない。リチウムイオン二次電池においては、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレスなどの金属製の集電体が使用されるが、特に正極にアルミニウムを、負極に銅を用いた場合、前述の蓄電デバイス用バインダーを用いて製造された蓄電デバイス電極用スラリーの効果が最もよく現れる。ニッケル水素二次電池における集電体としては、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金網、発泡金属、網状金属繊維焼結体、金属メッキ樹脂板などが使用される。集電体の形状および厚さは特に制限されないが、厚さ0.001〜0.5mm程度のシート状のものとすることが好ましい。
蓄電デバイス電極用スラリーの集電体への塗布方法についても特に制限はない。塗布は、例えばドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、浸漬法、ハケ塗り法などの適宜の方法によることができる。蓄電デバイス電極用スラリーの塗布量も特に制限されないが、液状媒体(水および任意的に使用される非水系媒体の双方を包含する概念である)を除去した後に形成される電極活物質層の厚さが、0.005〜5mmとなる量とすることが好ましく、0.01〜2mmとなる量とすることがより好ましい。電極活物質層の厚さが上記範囲内にあることによって、電極活物質層に効果的に電解液を染み込ませることができる。その結果、電極活物質層中の電極活物質と電解液との充放電に伴う金属イオンの授受が容易に行われるため、電極抵抗をより低下させることができるため好ましい。また、電極活物質層の厚さが上記範囲内にあることで、電極を折り畳んだり、捲回するなどして加工する場合においても、電極活物質層が集電体から剥離することなく密着性が良好で、柔軟性に富む蓄電デバイス電極が得られる点で好ましい。
塗布後の塗膜からの乾燥方法(水および任意的に使用される非水系媒体の除去方法)についても特に制限されず、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥;真空乾燥;(遠)赤外線、電子線などの照射による乾燥などによることができる。乾燥速度としては、応力集中によって電極活物質層に亀裂が入ったり、電極活物質層が集電体から剥離したりしない程度の速度範囲の中で、できるだけ速く液状媒体が除去できるように適宜に設定することができる。
さらに、乾燥後の集電体をプレスすることにより、電極活物質層の密度を高め、空孔率を以下に示す範囲に調整することが好ましい。プレス方法としては、金型プレスやロールプレスなどの方法が挙げられる。プレスの条件は、使用するプレス機器の種類および電極活物質層の空孔率および密度の所望値によって適宜に設定されるべきである。この条件は、当業者による少しの予備実験により、容易に設定することができるが、例えばロールプレスの場合、ロールプレス機の線圧力は0.1〜10(t/cm)、好ましくは0.5〜5(t/cm)の圧力において、例えばロール温度が20〜100℃において、乾燥後の集電体の送り速度(ロールの回転速度)が1〜80m/min、好ましくは5〜50m/minで行うことができる。
プレス後の電極活物質層の密度は、1.5〜5.0g/cmとすることが好ましく、1.5〜4.0g/cmとすることがより好ましく、1.6〜3.8g/cmとすることが特に好ましい。電極活物質が上記一般式(2a)または(2b)で表される複合金属酸化物である場合には、電極活物質層の密度は2.0〜4.0g/cmとすることが好ましく、3.0〜3.5g/cmとすることがより好ましい。また、電極活物質が上記一般式(3)で表されかつオリビン型結晶構造を有する化合物である場合には、電極活物質層の密度は1.5〜2.5g/cmとすることが好ましく、1.6〜2.4g/cmとすることがより好ましく、1.7〜2.2g/cmとすることがさらに好ましく、1.8〜2.1g/cmとすることが特に好ましい。電極活物質層の密度が前記範囲にあることにより、集電体と電極活物質層との間の結着性が良好となり、粉落ち性に優れ、かつ電気的特性にも優れた蓄電デバイス電極が得られることとなる。電極活物質層の密度が前記範囲未満であると、電極活物質層中の重合体(A)が十分にバインダーとして機能せず、電極活物質層が凝集剥離するなどして粉落ち性が低下する。また、電極活物質層の密度が前記範囲を超えると、電極活物質層中の重合体(A)のバインダー機能が強すぎて電極活物質同士の接着が強固になり過ぎる。その結果、集電体の柔軟性に電極活物質層が追随することができず、集電体と電極活物質層の界面が剥離する場合があり好ましくない。なお、本発明における「電極活物質層の密度」とは、電極活物質層の嵩密度を示す値であり、以下の測定方法から知ることができる。すなわち、集電体の片面に、面積C(cm)、厚みD(μm)の電極活物質層を有する蓄電デバイス電極において、集電体の質量がA(g)、蓄電デバイス電極の質量がB(g)である場合、電極活物質層の密度は下記式(5)によって定義される。
電極活物質層の密度(g/cm)=(B(g)−A(g))/(C(cm)×D(μm)×10−4) ・・・・・(5)
プレス後の電極活物質層の空孔率は、10〜50%であることが好ましく、15〜45%であることがより好ましく、20〜40%であることが特に好ましい。電極活物質層の空孔率が前記範囲にあると、集電体と電極活物質層との間の結着性が良好となり、粉落ち性に優れ、かつ電気的特性にも優れる蓄電デバイス電極が得られる。また、電極活物質層の空孔率が前記範囲にあると、電極活物質層内部へ電解液を十分に染み込ませることができ、電極活物質表面と電解液とが十分に接触することができる。その結果、電極活物質と電解液とのリチウムイオンの授受が容易となり、良好な充放電特性が達成できる。なお、本発明における「電極活物質層の空孔率」とは、空孔の体積(電極活物質層の体積から固形分(電極活物質、導電付与剤、結着剤など)が占める体積を除いた量)が電極活物質層全体の体積に占める割合である。すなわち、集電体の片面に、面積C(cm)、厚みD(μm)の電極活物質層を有する蓄電デバイス電極において、電極活物質層の質量がB(g)、水銀圧入法により測定された細孔容積がV(cm/g)である場合、下記式(6)によって定義される値である。
電極活物質層の空孔率(%)=((V[cm/g]×B[g])/(C[cm]×D[μm]×10−4))×100 ・・・・・(6)
細孔容積は、例えば水銀ポロシメーターを用いた水銀圧入法などにより測定することができる。水銀ポロシメーターとしては、例えばQuantachrome社製の品名「PoreMaster」、株式会社島津製作所製の品名「オートポアIV」などを用いることができる。
4.保護膜形成用スラリー
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、上述した蓄電デバイス用バインダー組成物と、無機粒子と、を含有する。保護膜形成用スラリーとは、これを蓄電デバイス電極またはセパレータの表面もしくはその両方に塗布した後、乾燥させて、蓄電デバイス電極またはセパレータの表面もしくはその両方に保護膜を形成するために用いられる分散液である。以下、本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーに含まれる各成分について詳細に説明する。なお、蓄電デバイス用バインダー組成物については、上述した通りであるから説明を省略する。
4.1.無機粒子
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、無機粒子を含有することにより、形成される保護膜のタフネスを向上させることができる。無機粒子としては、二酸化ケイ素(シリカ)、酸化チタン(チタニア)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化ジルコニウム(ジルコニア)、酸化マグネシウム(マグネシア)等を用いることができる。これらの中でも、保護膜のタフネスをより向上させる観点から、酸化チタンおよび酸化アルミニウムが好ましい。また、酸化チタンとしてはルチル型の酸化チタンがより好ましい。
無機粒子の数平均粒子径(Dc)は、1μm以下であることが好ましく、0.1〜0.8μmの範囲内であることがより好ましい。なお、無機粒子の数平均粒子径(Dc)は、多孔質膜であるセパレータの平均孔径よりも大きいことが好ましい。これにより、セパレータへのダメージを軽減し、無機粒子がセパレータの微多孔に詰まることを防ぐことができる。
ここで、無機粒子の数平均粒子径(Dc)とは、レーザー回折法を測定原理とする粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定し、小さい粒子から粒子を累積したときの粒子数の累積度数が50%となる粒子径(D50)の値である。このようなレーザー回折式粒度分布測定装置としては、例えばHORIBA LA−300シリーズ、HORIBA LA−920シリーズ(以上、株式会社堀場製作所製)などを挙げることができる。この粒度分布測定装置は、無機粒子の一次粒子だけを評価対象とするものではなく、一次粒子が凝集して形成された二次粒子をも評価対象とする。従って、この粒度分布測定装置によって得られた数平均粒子径(Dc)は、保護膜形成用スラリー中に含まれる無機粒子の分散状態の指標とすることができる。なお、無機粒子の平均粒子径(Dc)は、保護膜形成用スラリーを遠心分離して無機粒子を沈降させた後、その上澄み液を除去し、沈降した無機粒子を上記の方法により測定することによっても測定することができる。
4.2.その他の成分
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、必要に応じて、導電付与剤、水、非水系媒体、増粘剤、界面活性剤等のその他の成分を含有することができる。
4.2.1.導電付与剤
導電付与剤としては、上記「2.2.1.導電付与剤」に記載されている材料、添加量を必要に応じて用いることができる。
4.2.2.水
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、水を含有することができる。水を含有することにより、保護膜形成用スラリーの安定性が良好となり、保護膜を再現性よく製造することが可能となる。水は、蓄電デバイス電極用スラリーで一般的に使用されている高沸点溶剤(例えば、N−メチルピロリドン等)と比較して蒸発速度が速く、溶媒除去時間の短縮による生産性の向上、粒子のマイグレーションの抑制等の効果が期待できる。
4.2.3.非水系媒体
非水系媒体としては、上記「2.2.2.非水系媒体」に記載されている材料の他、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン等を必要に応じて用いることができ、また上記「2.2.2.非水系媒体」に記載されている添加量とすることができる。これらの中でも、蓄電デバイス用バインダー組成物が液状媒体として水を含有するものである場合は水と混和するものが好ましい。
4.2.4.増粘剤
増粘剤としては、上記「2.2.3.増粘剤」に記載されている材料、添加量を必要に応じて用いることができる。
4.2.5.界面活性剤
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、その分散性および分散安定性を改善する観点から界面活性剤を含有することができる。界面活性剤としては、上記「1.1.7.調製方法」に記載されているものが挙げられる。
4.3.保護膜形成用スラリーの製造方法
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、無機粒子100質量部に対して、上述の蓄電デバイス用バインダー組成物が、固形分換算で0.1〜20質量部含有されていることが好ましく、1〜10質量部含有されていることがより好ましい。蓄電デバイス用バインダー組成物の含有割合が固形分換算で0.1〜20質量部であることにより、形成される保護膜のタフネスとリチウムイオンの透過性とのバランスが良好となり、その結果、得られる蓄電デバイスの抵抗上昇率をより低くすることができる。
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーは、上記のような蓄電デバイス用バインダー組成物と、上記のような無機粒子と、必要に応じて用いられる他の成分と、を混合することにより調製される。これらを混合するための手段としては、例えばボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、ホバートミキサー等の公知の混合装置を利用することができる。
本実施の形態に係る保護膜形成用スラリーを製造するための混合撹拌は、スラリー中に無機粒子の凝集体が残らない程度に撹拌し得る混合機と、必要にして十分な分散条件とを選択する必要がある。分散の程度としては、少なくとも20μmより大きい凝集物がなくなるように混合分散することが好ましい。分散の程度は粒ゲージにより測定可能である。
上記のような蓄電デバイスの保護膜形成用スラリーは、上述の蓄電デバイス用バインダー組成物を含有することにより、無機粒子相互間、無機粒子−電極間、および無機粒子−セパレータ間の密着性に優れた保護膜を備える電極を形成することができ、また、このような電極を備える蓄電デバイスは抵抗上昇率が十分に低いものとなる。
5.保護膜
本実施の形態に係る保護膜は、正極、負極またはセパレータの表面に、前述した保護膜形成用スラリーを塗布して乾燥させることにより形成することができる。
保護膜形成用スラリーの正極、負極またはセパレータへの塗布方法についても特に制限はない。塗布は、例えばドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、浸漬法、ハケ塗り法などの適宜の方法により行うことができる。保護膜形成用スラリーの塗布量も特に制限されないが、液状媒体を除去した後に形成される保護膜の厚さが、0.5〜4μmとなる量とすることが好ましく、0.5〜3μmとなる量とすることがより好ましい。保護膜の膜厚が前記範囲にあると、電極内部への電解液の浸透性および保液性が良好となると共に、電極の内部抵抗の上昇を抑制することもできる。
塗布後の塗膜からの乾燥方法(水および任意的に使用される非水系媒体の除去方法)についても特に制限されず、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥;真空乾燥;(遠)赤外線、電子線などの照射による乾燥などによることができる。乾燥速度としては、応力集中によって活物質層に亀裂が入ったり、活物質層が集電体から剥離したりしない程度の速度範囲の中で、できるだけ速く液状媒体が除去できるように適宜に設定することができる。具体的には、塗膜の乾燥処理は、好ましくは20〜250℃、より好ましくは50〜150℃の温度範囲において、好ましくは1〜120分間、より好ましくは5〜60分間の処理時間で行うことができる。
6.蓄電デバイス
6.1.第1の実施形態
本発明の一実施形態に係る蓄電デバイスは、上述の蓄電デバイス電極を備えるものであり、さらに電解液を含有し、セパレータなどの部品を用いて、常法に従って製造することができる。具体的な製造方法としては、例えば、負極と正極とをセパレータを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口する方法が挙げられる。電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、適宜の形状であることができる。
電解液は、液状でもゲル状でもよく、電極活物質の種類に応じて、蓄電デバイスに用いられる公知の電解液の中から電池としての機能を効果的に発現するものを選択すればよい。電解液は、電解質を適当な溶媒に溶解した溶液であることができる。
上記電解質としては、リチウムイオン二次電池では、従来から公知のリチウム塩のいずれをも使用することができ、その具体例としては、例えばLiClO、LiBF、LiPF、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiB10Cl10、LiAlCl、LiCl、LiBr、LiB(C、LiCFSO、LiCHSO、LiCSO、Li(CFSON、低級脂肪酸カルボン酸リチウムなどを例示することができる。ニッケル水素二次電池では、例えば従来公知の濃度が5モル/リットル以上の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。
上記電解質を溶解するための溶媒は、特に制限されるものではないが、その具体例として、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート化合物;γ−ブチルラクトンなどのラクトン化合物;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル化合物;ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド化合物などを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することができる。電解液中の電解質の濃度としては、好ましくは0.5〜3.0モル/Lであり、より好ましくは0.7〜2.0モル/Lである。
6.2.第2の実施形態
また、本発明の一実施形態に係る蓄電デバイスは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に配置された保護膜と、電解液と、を備え、前記保護膜が上述の保護膜であることを特徴とする。以下、具体例について図面を参照しながら説明する。
6.2.1.第1の具体例
図1は、第1の具体例に係る蓄電デバイスの断面を示した模式図である。図1に示すように、蓄電デバイス100は、正極集電体32の表面に正極活物質層34が形成された正極30と、負極集電体42の表面に負極活物質層44が形成された負極40と、正極30と負極40との間に設けられた保護膜50と、正極10と負極20の間を満たす電解液60と、を備えたものである。なお、蓄電デバイス100では、正極30と負極40との間にセパレータが設けられていない。正極30と負極40とが固体電解質等で完全に固定されていれば、正極30と負極40とが接触して短絡することはないからである。
図1に示す正極30は、その長手方向に沿う一方の面において正極活物質層34が設けられておらず、正極集電体32が露出するように形成されているが、両面に正極活物質層34を設けてもよい。同様に、図1に示す負極40は、その長手方向に沿う一方の面において負極活物質層44が設けられておらず、負極集電体42が露出するように形成されているが、両面に負極活物質層44を設けてもよい。
正極活物質および負極活物質としては、上記「2.1.電極活物質」に記載されている材料を必要に応じて用いることができる。正極集電体32および負極集電体42としては、上記「3.蓄電デバイス電極」に記載されている材料を必要に応じて用いることができる。正極活物質層34および負極活物質層44は、上記「3.蓄電デバイス電極」に記載されている条件で必要に応じて製造することができる。
保護膜50は、例えば正極30(又は負極40)の表面に、前述した保護膜形成用スラリーを塗布して乾燥させることにより形成することができる。正極30(又は負極40)の表面に保護膜形成用スラリーを塗布する方法としては、上記「5.保護膜」に記載されている条件および方法とすることができる。
保護膜50は、正極30と負極40との間に配置される。なお、図1に示す蓄電デバイス100では、正極30と負極40との間に、保護膜50が正極活物質層34と接するように配置されているが、負極活物質層44と接するように配置されてもよい。また、保護膜50は、正極30または負極40と接することなく、正極30と負極40との間に自立膜として配置されてもよい。これにより、充放電を繰り返してデンドライトが析出した場合であっても、保護膜50でガードされるため短絡が発生しない。したがって、蓄電デバイスとしての機能を維持できる。
保護膜50の膜厚は、特に限定されるものではないが、0.5〜4μmの範囲であることが好ましく、0.5〜3μmの範囲であることがより好ましい。保護膜50の膜厚が前記範囲にあると、電極内部への電解液の浸透性および保液性が良好となると共に、電極の内部抵抗の上昇を抑制することもできる。
電解液60は、目的とする蓄電デバイスの種類に応じて適宜選択して用いられる。電解液60としては、適当な電解質が溶媒中に溶解された溶液が用いられる。
リチウムイオンキャパシタを製造する場合における電解質の種類および濃度は、リチウムイオン二次電池の場合と同様である。
6.2.2.第2の具体例
図2は、第2の具体例に係る蓄電デバイスの断面を示した模式図である。図2に示すように、蓄電デバイス200は、正極集電体132の表面に正極活物質層134が形成された正極130と、負極集電体142の表面に負極活物質層144が形成された負極140と、正極130と負極140との間に設けられた保護膜150と、正極130と負極140の間を満たす電解液160と、正極130と負極140との間に設けられたセパレータ170と、を備えたものである。
蓄電デバイス200では、保護膜150が正極130とセパレータ170と間に挟持されるように配置されている点で、上述した蓄電デバイス100とは相違する。なお、図2に示す蓄電デバイス200では、保護膜150が正極130とセパレータ170との間に挟持されるように配置されているが、保護膜150が負極140とセパレータ170との間に挟持されるように配置されてもよい。このような構成とすることにより、充放電を繰り返してデンドライトが析出した場合であっても、保護膜150でガードされるため短絡が発生しない。したがって、蓄電デバイスとしての機能を維持できる。
保護膜150は、例えば正極130(または負極140)またはセパレータ170の表面に、上述の保護膜形成用スラリーを塗布して乾燥させることにより形成することができる。正極130(または負極140)またはセパレータ170の表面に保護膜形成用スラリーを塗布する方法としては、上記「5.保護膜」に記載されている条件および方法とすることができる。
セパレータ170は、電気的に安定であると共に、正極活物質、負極活物質あるいは溶媒に対して化学的に安定であり、かつ電気伝導性を有していなければどのようなものを用いてもよい。例えば、高分子の不織布、多孔質フィルム、ガラスあるいはセラミックスの繊維を紙状にしたものを用いることができ、これらを複数積層して用いてもよい。特に多孔質ポリオレフィンフィルムを用いることが好ましく、これをポリイミド、ガラスあるいはセラミックスの繊維等よりなる耐熱性の材料と複合させたものを用いてもよい。
第2の具体例に係る蓄電デバイス200のその他の構成については、図1を用いて説明した第1の具体例に係る蓄電デバイス100と同様であるので説明を省略する。
6.2.3.第3の具体例
図3は、第3の具体例に係る蓄電デバイスの断面を示した模式図である。図3に示すように、蓄電デバイス300は、正極集電体232の表面に正極活物質層234が形成された正極230と、負極集電体242の表面に負極活物質層244が形成された負極240と、正極230と負極240の間を満たす電解液260と、正極230と負極240との間に設けられたセパレータ270と、セパレータ270の表面を覆うようにして形成された保護膜250と、を備えたものである。
蓄電デバイス300では、保護膜250がセパレータ270の表面を覆うようにして形成されている点で、上述した蓄電デバイス100や蓄電デバイス200とは相違する。このような構成とすることにより、充放電を繰り返してデンドライトが析出した場合であっても、保護膜250でガードされるため短絡が発生しない。したがって、蓄電デバイスとしての機能を維持できる。
保護膜250は、例えばセパレータ270の表面に、前述した保護膜形成用スラリーを塗布して乾燥させることにより形成することができる。セパレータ270の表面に保護膜形成用スラリーを塗布する方法としては、上記「5.保護膜」に記載されている条件で製造することができる。
第3の具体例に係る蓄電デバイス300のその他の構成については、図1を用いて説明した第1の具体例に係る蓄電デバイス100や図2を用いて説明した第2の具体例に係る蓄電デバイス200と同様であるので説明を省略する。
6.2.4.製造方法
上述したような第2の実施形態に係る蓄電デバイスの製造方法としては、例えば、2つの電極(正極および負極の2つ、またはキャパシタ用電極の2つ)を必要に応じてセパレータを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口する方法が挙げられる。電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角型、扁平型など、適宜の形状であることができる。
6.3.用途
上述したような蓄電デバイスは、電気自動車、バイブリッドカー、トラック等の自動車に搭載される二次電池またはキャパシタとして好適であるほか、AV機器、OA機器、通信機器などに用いられる二次電池、キャパシタとしても好適である。
7.実施例
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例、比較例中の「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準である。
7.1.重合体(A1)〜(A7)の作製
7.1.1.重合体(A1)の作製
電磁式撹拌機を備えた内容積約6Lのオートクレーブの内部を十分に窒素置換した後、脱酸素した純水2.5Lおよび乳化剤としてパーフルオロデカン酸アンモニウム25gを仕込み、350rpmで撹拌しながら60℃まで昇温した。次いで、単量体であるフッ化ビニリデン(VDF)70%および六フッ化プロピレン(HFP)30%からなる混合ガスを、内圧が20kg/cmに達するまで仕込んだ。重合開始剤としてジイソプロピルパーオキシジカーボネートを20%含有するフロン113溶液25gを窒素ガスを使用して圧入し、重合を開始した。重合中は内圧が20kg/cmに維持されるようVDF60.2%およびHFP39.8%からなる混合ガスを逐次圧入して、圧力を20kg/cmに維持した。また、重合が進行するに従って重合速度が低下するため、3時間経過後に、先と同じ重合開始剤溶液の同量を窒素ガスを使用して圧入し、さらに3時間反応を継続した。その後、反応液を冷却すると同時に撹拌を停止し、未反応の単量体を放出した後に反応を停止することにより、重合体(A1)の粒子を40%含有する水系分散体を得た。得られた重合体(A1)につき、19F−NMRにより分析した結果、各単量体の質量組成比はVDF/HFP=21/4であった。
7.1.2.重合体(A2)の作製
容量7Lのセパラブルフラスコの内部を十分に窒素置換した後、乳化剤「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製)0.5質量部、メタクリル酸メチル(MMA)30質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル(EHA)60質量部およびアクリル酸(AA)7質量部ならびに水130質量部を順次仕込み、70℃で3時間攪拌した。次いで油溶性重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル0.5質量部を含有するテトラヒドロフラン溶液20mLを添加し、75℃に昇温して3時間反応を行い、さらに85℃で2時間反応を行った。その後、冷却した後に反応を停止し、2.5N水酸化ナトリウム水溶液でpH7に調節することにより、重合体(A2)の粒子を40%含有する水系分散体を得た。
7.1.3.重合体(A3)の作製
攪拌機を備えた温度調節可能なオートクレーブ中に、水200質量部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.6質量部、過硫酸カリウム1.0質量部、重亜硫酸ナトリウム0.5質量部、α−メチルスチレンダイマー0.2質量部、ドデシルメルカプタン0.2質量部、および表1に示した一段目重合成分を一括して仕込み、70℃に昇温し2時間重合反応させた。重合添加率が80%以上であることを確認した後、反応温度を70℃に維持したまま、表1に示す二段目重合成分を6時間かけて添加した。二段目重合成分添加開始から3時間経過した時点で、α−メチルスチレンダイマー1.0質量部およびドデシルメルカプタン0.3質量部を添加した。二段目重合成分添加終了後、温度を80℃に昇温し、さらに2時間反応させた。重合反応終了後、ラテックスのpHを7.5に調節し、トリポリリン酸ナトリウム5質量部(固形分換算)を添加した。その後、残留モノマーを水蒸気蒸留で処理し、減圧下で固形分50%まで濃縮することで、重合体(A3)の粒子を50%含有する水系分散体を得た。重合体(A3)の粒子を含有する水系分散体を調製する際の、一段目重合成分および二段目重合成分の含有割合を下表1に示した。
Figure 0005459526
なお、上表1における各成分の略称は、それぞれ以下の意味である。
・AN :アクリロニトリル
・HEMA:メタクリル酸2−ヒドロキシエチル
・BD :1,3−ブタジエン
・ST :スチレン
・MMA:メタクリル酸メチル
・AA :アクリル酸
・TA :イタコン酸
7.1.4.重合体(A4)の作製
容量7Lのセパラブルフラスコの内部を十分に窒素置換した後、乳化剤「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製)0.5質量部、スチレン(ST)10質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル(EHA)87質量部およびアクリル酸(AA)3質量部ならびに水130質量部を順次仕込み、70℃で3時間攪拌した。次いで油溶性重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル0.5質量部を含有するテトラヒドロフラン溶液20mLを添加し、75℃に昇温して3時間反応を行い、さらに85℃で2時間反応を行った。その後、冷却した後に反応を停止し、2.5N水酸化ナトリウム水溶液でpH7に調節することにより、重合体(A4)の粒子を40%含有する水系分散体を得た。
7.1.5.重合体(A5)の作製
容量7Lのセパラブルフラスコの内部を十分に窒素置換した後、乳化剤「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製)0.5質量部、スチレン(ST)25質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル(EHA)72質量部およびアクリル酸(AA)3質量部ならびに水130質量部を順次仕込み、70℃で3時間攪拌した。次いで油溶性重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル0.5質量部を含有するテトラヒドロフラン溶液20mLを添加し、75℃に昇温して3時間反応を行い、さらに85℃で2時間反応を行った。その後、冷却した後に反応を停止し、2.5N水酸化ナトリウム水溶液でpH7に調節することにより、重合体(A5)の粒子を40%含有する水系分散体を得た。
7.1.6.重合体(A6)の作製
容量7Lのセパラブルフラスコの内部を十分に窒素置換した後、乳化剤「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製)0.5質量部、スチレン(ST)57質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル(EHA)40質量部およびアクリル酸(AA)3質量部ならびに水130質量部を順次仕込み、70℃で3時間攪拌した。次いで油溶性重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル0.5質量部を含有するテトラヒドロフラン溶液20mLを添加し、75℃に昇温して3時間反応を行い、さらに85℃で2時間反応を行った。その後、冷却した後に反応を停止し、2.5N水酸化ナトリウム水溶液でpH7に調節することにより、重合体(A6)の粒子を40%含有する水系分散体を得た。
7.1.7.重合体(A7)の作製
容量7Lのセパラブルフラスコの内部を十分に窒素置換した後、乳化剤「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製)0.5質量部、スチレン(ST)47質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル(EHA)50質量部およびアクリル酸(AA)3質量部ならびに水130質量部を順次仕込み、70℃で3時間攪拌した。次いで油溶性重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル0.5質量部を含有するテトラヒドロフラン溶液20mLを添加し、75℃に昇温して3時間反応を行い、さらに85℃で2時間反応を行った。その後、冷却した後に反応を停止し、2.5N水酸化ナトリウム水溶液でpH7に調節することにより、重合体(A7)の粒子を40%含有する水系分散体を得た。
7.2.実施例1
7.2.1.蓄電デバイス用バインダー組成物の調製
上記で得られた重合体(A1)を固形分換算で5質量部、上記で得られた重合体(A2)を固形分換算で45質量部、上記で得られた重合体(A3)を固形分換算で50質量部混合して十分に攪拌することにより、表2に記載の繰り返し単位を有する重合体(A)を含有する蓄電デバイス用バインダー組成物を得た。
得られた蓄電デバイス用バインダー組成物について、PyGC「Agilent社製、7890A GC システム)」により繰り返し単位Ma、Mb、Mc、Mdの含有量をそれぞれ測定したところ、Maは5.0質量部、Mbは46.6質量部、Mcは22.6質量部、Mdは18.5質量部であった。
7.2.2.蓄電デバイス用バインダー組成物の貯蔵安定性評価
一般的に蓄電デバイス用バインダー組成物は、蓄電デバイスを作製する工場において、使用に備えて大量に貯蔵される。そして、大量に貯蔵された蓄電デバイス用バインダー組成物は、必要に応じて順次消費される。この際、長期間にわたり貯蔵した後の蓄電デバイス用バインダー組成物において、重合体が沈降するなどして特性が初期状態から変化することは許されない。そこで、上記で調製した蓄電デバイス用バインダー組成物について、下記特性の評価を行った。
<沈降評価>
上記で調製した蓄電デバイス用バインダー組成物をポリビンに100g充填し、2℃に設定した冷蔵庫で一ヵ月保管した。保管後の蓄電デバイス用バインダー組成物を目視で観察し、沈降が認められない場合は良好と判断して○、沈降が認められる場合は不良と判断して×と評価した。沈降評価の結果を表2に併せて示した。
<凍結温度評価>
また、蓄電デバイス用バインダー組成物の貯蔵環境は、コストの観点から温度管理を厳密に行うことができず、このため気温の変化により0℃近くの環境に晒される場合も多い。このため、下記の凍結温度の評価において、0℃で凍結することは許容できず、凍結温度が−0.5℃以下であることが要求される。したがって、凍結温度が−0.5℃以下である場合、蓄電デバイス用バインダー組成物の貯蔵安定性が高く、良好であると判断できる。そこで、上記で調製した電極用バインダー組成物をポリビンに1000g充填し、その後−10℃の冷凍庫に保管し、凍結が開始する温度(凍結温度)を測定した。その凍結温度を表2に併せて示した。
7.2.3.蓄電デバイス電極用スラリーの調製および評価
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、商品名「TKハイビスミックス 2P−03」)に増粘剤(商品名「CMC2200」、株式会社ダイセル製)1質量部(固形分換算)、負極活物質としてグラファイト100質量部(固形分換算)、水68質量部を投入し、60rpmで1時間攪拌を行った。その後、上記「7.2.1.蓄電デバイス用バインダー組成物の調製」で調製した蓄電デバイス用バインダー組成物(2℃に設定した冷蔵庫で5ヶ月間貯蔵したもの)2質量部(固形分換算)を加え、さらに1時間攪拌することによりペーストを得た。得られたペーストに水を投入し、固形分を50%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー製、商品名「泡とり練太郎」)を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、蓄電デバイス電極用スラリーを調製した。
<曳糸性の測定>
得られた蓄電デバイス電極用スラリーの曳糸性を、以下のようにして測定した。
先ず、容器の底辺に直径5.2mmの開口部が存在するザーンカップ(太佑機材株式会社製、ザーンビスコシティーカップNo.5)を準備した。このザーンカップの開口部を閉じた状態で、上記で調製した蓄電デバイス電極用スラリーを40g流し込んだ。開口部を開放するとスラリーが流れ出した。このとき、開口部を開放した瞬間の時間をTとし、スラリーが流れ出る際に糸を曳くようにして流出し続けた時間を目視で測定し、この時間をTとした。さらに、糸を曳かなくなってからも測定を継続し、蓄電デバイス電極用スラリーが流れ出なくなるまでの時間Tを測定した。測定した各値T、TおよびTを下記式(4)に代入して曳糸性を求めた。
曳糸性(%)=((T−T)/(T−T))×100 ・・・・・(4)
蓄電デバイス電極用スラリーの曳糸性が30〜80%である場合に良好と判断できる。曳糸性の測定結果を表2に併せて示した。
7.2.4.蓄電デバイス電極の製造および評価
厚み20μmの銅箔よりなる集電体の表面に、上記「7.2.3.蓄電デバイス電極用スラリーの調製および評価」で調製した蓄電デバイス電極用スラリーを、乾燥後の膜厚が80μmとなるようにドクターブレード法によって均一に塗布し、120℃で20分間乾燥処理した。その後、電極活物質層の密度が1.5g/cmとなるようにロールプレス機によりプレス加工することにより、蓄電デバイス電極(負極)を得た。
<ピール強度の測定(密着性の評価)>
得られた蓄電デバイス電極から、幅2cm×長さ12cmの試験片を切り出し、この試験片の電極活物質層側の表面を、両面テープを用いてアルミ板に貼り付けた。一方、試験片の集電体の表面に、幅18mmテープ(ニチバン株式会社製、商品名「セロテープ(登録商標)」、JIS Z1522に規定)を貼り付けた。この幅18mmテープを90°方向に50mm/minの速度で2cm剥離したときの力(mN/2cm)を6回測定し、その平均値を密着強度(ピール強度、mN/2cm)として算出した。なお、ピール強度の値が大きいほど、集電体と電極活物質層との密着強度が高く、集電体から電極活物質層が剥離し難いと評価することができるが、ピール強度の値が20mN/2cm以上である場合には良好であると判断できる。ピール強度の測定結果を表2に併せて示した。
<電極厚み増加率の測定>
ロールプレス機によりプレス加工した直後の電極層の厚み(T1)を測定した。該電極を120℃で12時間、真空ポンプを用いて減圧処理し、処理後の電極活物質層の厚み(T2)を測定した。測定したT1、T2から、下記式(7)を用いて電極厚み増加率(%)を算出した。
電極厚み増加率(%)=((T2−T1)/T1)×100 ・・・・・(7)
このようにして算出される電極厚み増加率は、一度プレス加工された電極活物質層が時間の経過に伴い弾性回復により膜厚が増加する現象の定量評価に相当する。このような電極厚み増加率が1%を超える場合、蓄電デバイスの製造工程において、筐体内部に収容する電極膜厚の設計寸法に対する変化が大きいため、筐体が膨張するなどの可能性があるため好ましくない。逆に電極厚み増加率の値が小さいほど、電極活物質層の膜厚変化を抑制できるため、より安定した蓄電デバイスを作製することができるため好ましい。
7.2.5.蓄電デバイスの製造および評価
<対極(正極)の製造>
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、商品名「TKハイビスミックス 2P−03」)に電気化学デバイス電極用バインダー(株式会社クレハ製、商品名「KFポリマー#1120」)4.0質量部(固形分換算)、導電助剤(電気化学工業株式会社製、商品名「デンカブラック50%プレス品」)3.0質量部、正極活物質として粒径5μmのLiCoO(ハヤシ化成株式会社製)100質量部(固形分換算)、N−メチルピロリドン(NMP)36質量部を投入し、60rpmで2時間攪拌を行った。得られたペーストにNMPを投入し、固形分を65%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー製、商品名「泡とり練太郎」)を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、蓄電デバイス電極用スラリーを調製した。アルミニウム箔よりなる集電体の表面に、調製した蓄電デバイス電極用スラリーを、乾燥後の膜厚が80μmとなるようにドクターブレード法によって均一に塗布し、120℃で20分間乾燥処理した。その後、電極層の密度が3.0g/cmとなるようにロールプレス機によりプレス加工することにより、対極(正極)を得た。
<リチウムイオン二次電池セルの組立て>
露点が−80℃以下となるようAr置換されたグローブボックス内で、上記において製造した蓄電デバイス電極(負極)を直径15.95mmに打ち抜き成型したものを、2極式コインセル(宝泉株式会社製、商品名「HSフラットセル」)上に載置した。次いで、直径24mmに打ち抜いたポリプロピレン製多孔膜からなるセパレータ(セルガード株式会社製、商品名「セルガード#2400」)を載置し、さらに、空気が入らないように電解液を500μL注入した後、上記<対極(正極)の製造>で製造した正極を直径16.16mmに打ち抜き成型したものを載置し、前記2極式コインセルの外装ボディーをネジで閉めて封止することにより、リチウムイオン二次電池セル(蓄電デバイス)を組み立てた。ここで使用した電解液は、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート=1/1(質量比)の溶媒に、LiPFを1モル/Lの濃度で溶解した溶液である。
<充放電レート特性の評価>
上記で製造した蓄電デバイスにつき、定電流(0.2C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)として、0.2Cでの充電容量を測定した。次いで、定電流(0.2C)にて放電を開始し、電圧が2.7Vになった時点を放電完了(カットオフ)とし、0.2Cでの放電容量を測定した。
次に、同じセルにつき、定電流(3C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)として3Cでの充電容量を測定した。次いで、定電流(3C)にて放電を開始し、電圧が2.7Vになった時点を放電完了(カットオフ)とし、3Cでの放電容量を測定した。
上記の測定値を用いて、0.2Cでの充電容量に対する3Cでの充電容量の割合(百分率%)を計算することにより充電レート(%)を、0.2Cでの放電容量に対する3Cでの放電容量の割合(百分率%)を計算することにより放電レート(%)を、それぞれ算出した。充電レートおよび放電レートの双方がいずれもが80%以上のとき、充放電レート特性は良好であると評価することができる。測定された充電レートおよび放電レートの値を表2にそれぞれ示した。
なお、測定条件において「1C」とは、ある一定の電気容量を有するセルを定電流放電して1時間で放電終了となる電流値のことを示す。例えば「0.1C」とは、10時間かけて放電終了となる電流値のことであり、10Cとは0.1時間かけて放電完了となる電流値のことをいう。
7.3.実施例2〜13および比較例1〜4
上記「7.2.1.蓄電デバイス電極用バインダー組成物の調製」において、重合体(A)中の各繰り返し単位の含有割合が表2に示す割合となるように、上記の重合体A1〜A7の混合量を表2に記載の通りに変更したほかは実施例1と同様にして、実施例2〜13および比較例1〜4の各蓄電デバイス用バインダー組成物を調製した。得られた各蓄電デバイス用バインダー組成物について、上記実施例1の「7.2.3.蓄電デバイス電極用スラリーの調製および評価」、「7.2.4.蓄電デバイス電極の製造および評価」、「7.2.5.蓄電デバイスの製造および評価」と同様にして蓄電デバイス電極用スラリー、蓄電デバイス電極、蓄電デバイスを作製し、評価を行った。その結果を表2に併せて示した。
7.4.評価結果
実施例1〜13および比較例1〜4に係る蓄電デバイス用バインダー組成、ならびに上記の評価結果を表2に併せて示した。
Figure 0005459526
上表2から明らかなように、実施例1〜13に示した本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、長期にわたる貯蔵安定性が良好であり、さらに本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物を用いて調製された蓄電デバイス電極用スラリーは、集電体と電極活物質層との間の結着性が良好であるため、密着性および電極厚み増加率に優れる蓄電デバイス電極を与えた。また、これらの蓄電デバイス電極を備える蓄電デバイス(リチウムイオン二次電池)は、充放電レート特性が良好であった。
一方、比較例1〜4に示したバインダー組成物では、長期にわたる貯蔵安定性に優れず、蓄電デバイス電極用スラリーにおいて曳糸性が不良であったため、密着性および電極厚み増加率に優れない蓄電デバイス電極を与えた。また、当然ながらこれらの蓄電デバイス電極を備える蓄電デバイス(リチウムイオン二次電池)は、充放電レート特性が不良であった。
7.5.実施例14
7.5.1.保護膜形成用スラリーの調製
無機粒子として酸化チタン(製品名「KR380」、チタン工業株式会社製、ルチル型、数平均粒子径0.38μm)を水100質量部に対して20質量部、上記実施例1の「7.2.1.蓄電デバイス用バインダー組成物の調製」において作製した蓄電デバイス用バインダー組成物を無機粒子100質量部に対して固形分換算で5質量部、増粘剤(株式会社ダイセル製、商品名「CMC1120」)1質量部を混合し、T.K.フィルミックス(R)56−50型(プライミクス株式会社製)を用いて混合分散処理を行い、酸化チタンが分散された保護膜形成用スラリーを調製した。
7.5.2.正極
蓄電デバイス用の正極として、上記実施例1の「7.2.5.蓄電デバイスの製造および評価」で作製した正極を用いた。
7.5.3.保護膜の作製
上記正極の正極活物質層の表面に、上記「7.5.1.保護膜形成用スラリーの調製」で得られた保護膜形成用スラリーをダイコート法を用いて塗布した後、120℃、5分で乾燥し、正極活物質層の表面に保護膜を形成した。なお、上記保護膜の厚みは3μmであった。
7.5.4.負極
蓄電デバイス用の負極として、上記実施例1の「7.2.4.蓄電デバイス電極の製造および評価」で作製した負極を用いた。
7.5.5.蓄電デバイスの製造および評価
上記実施例1の「7.2.5.蓄電デバイスの製造および評価」と同様にしてリチウムイオン電池セルを作製し、評価した。
7.6.実施例15〜26、比較例5〜8
上記「7.2.1.蓄電デバイス電極用バインダー組成物の調製」において、重合体(A)中の各繰り返し単位の含有割合が表3に示す割合となるように、上記の重合体A1〜A7の混合量を表3に記載の通りに変更したほかは実施例14と同様にして、実施例15〜26および比較例5〜8の各蓄電デバイス用バインダー組成物を調製した。得られた各蓄電デバイス用バインダー組成物について、上記実施例14と同様にして保護膜形成用スラリー、保護膜、蓄電デバイスを作製し、評価を行った。その結果を表3に併せて示した。
7.7.評価結果
実施例14〜26および比較例5〜8に係る蓄電デバイス用バインダー組成、ならびに上記の評価結果を表3に併せて示した。
Figure 0005459526
なお、上表3に記載されている無機粒子は以下の通りである。
・酸化チタン:製品名「KR380」(チタン工業株式会社製、ルチル型、数平均粒子径0.38μm)をそのまま使用に供するか、または製品名「KR380」をめのう乳鉢で粉砕し、ふるいを用いて分級することにより、数平均粒子径が0.08μm、0.12μmである酸化チタンをそれぞれ調製して使用に供した。
・酸化アルミニウム:製品名「AKP‐3000」(住友化学株式会社製、数平均粒子径0.74μm)
・酸化ジルコニウム:製品名「UEP酸化ジルコニウム」(第一希元素化学工業株式会社製、数平均粒子径0.67μm)
・シリカ:製品名「シーホスター(R) KE−S50」(株式会社日本触媒製、数平均粒子径0.54μm)
・酸化マグネシウム:製品名「PUREMAG(R) FNM−G」(タテホ化学工業株式会社製、数平均粒子径0.50μm)
また、上表3に記載されている増粘剤は、株式会社ダイセル製のカルボキシメチルセルロースナトリウムの製品名であり、製品毎にエーテル化度が異なっている。
上表3から明らかなように、実施例14〜26に示した本発明に係る蓄電デバイス用バインダー組成物は、良好な保護膜が形成されたために、良好な充放電特性を有する蓄電デバイス(リチウムイオン二次電池)が得られたものと考えられる。一方、比較例5〜8に示したバインダー組成物では、良好な保護膜が形成できなかったために、充放電特性が不良となったものと考えられる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を包含する。また本発明は、上記の実施形態で説明した構成の本質的でない部分を他の構成に置き換えた構成を包含する。さらに本発明は、上記の実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成をも包含する。さらに本発明は、上記の実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成をも包含する。
30,130,230…正極、32,132,232…正極集電体、34,134,234…正極活物質層、40,140,240…負極、42,142,242…負極集電体、44,144,244…負極活物質層、50,150,250…保護膜、60,160,260…電解液、170,270…セパレータ、100,200,300…蓄電デバイス

Claims (14)

  1. 重合体(A)と、液状媒体(B)と、を含有する、蓄電デバイスを作製するためのバインダー組成物であって、
    前記重合体(A)が100質量部中に、
    含フッ素エチレン系単量体に由来する繰り返し単位(Ma)を0.5〜20質量部、不飽和カルボン酸エステルに由来する繰り返し単位(Mb)を41〜60質量部、および芳香族ビニル化合物に由来する繰り返し単位(Mc)を16〜40質量部、含有する蓄電デバイス用バインダー組成物。
  2. 前記繰り返し単位(Ma)の質量をWMa、前記繰り返し単位(Mb)の質量をWMbとしたときに、質量比WMb/WMaが2〜49の範囲内にある、請求項1に記載の蓄電デバイス用バインダー組成物。
  3. 前記重合体(A)が、100質量部中に共役ジエン化合物に由来する繰り返し単位(Md)を5〜24質量部含有する、請求項1または請求項2に記載の蓄電デバイス用バインダー組成物。
  4. 前記繰り返し単位(Ma)の質量をWMa、前記繰り返し単位(Mc)の質量をWMc、前記繰り返し単位(Md)の質量をWMdとしたときに、質量比(WMc+WMd)/WMaが2〜50の範囲内にある、請求項3に記載の蓄電デバイス用バインダー組成物。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用バインダー組成物と、電極活物質と、を含有する、蓄電デバイス電極用スラリー。
  6. 集電体と、前記集電体の表面上に請求項5に記載の蓄電デバイス電極用スラリーが塗布および乾燥されて形成された層と、を備える蓄電デバイス電極。
  7. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用バインダー組成物と、無機粒子と、を含有する、保護膜形成用スラリー。
  8. 前記無機粒子が、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化マグネシウムよりなる群から選択される少なくとも1種の粒子である、請求項7に記載の保護膜形成用スラリー。
  9. 請求項7または請求項8に記載の保護膜形成用スラリーを用いて作製される保護膜。
  10. 請求項6に記載の蓄電デバイス電極を備える蓄電デバイス。
  11. 請求項9に記載の保護膜を備える蓄電デバイス。
  12. 正極と、負極と、をさらに備え、
    前記保護膜が前記正極および前記負極の少なくとも一方の表面と接してなる、請求項11に記載の蓄電デバイス。
  13. 前記正極および前記負極の間に配置されたセパレータをさらに備える、請求項12に記載の蓄電デバイス。
  14. 正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に配置されたセパレータと、をさらに備え、前記セパレータの表面が前記保護膜によって被覆された、請求項11に記載の蓄電デバイス。
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